劉廣林, 馬 爽, 邵曉州, 周新平, 郭正權(quán), 王亞玲

( 1. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018； 2. 中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018； 3. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 西安 710018 )

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鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段長8儲層致密成因

劉廣林1,2, 馬 爽1,3, 邵曉州1,2, 周新平1,2, 郭正權(quán)1,2, 王亞玲1,2

( 1. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018； 2. 中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018； 3. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 西安 710018 )

鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段與姬塬地區(qū)同屬西北沉積體系，且比姬塬地區(qū)更靠近物源區(qū)，但是該區(qū)長8儲層物性較姬塬地區(qū)的差。利用薄片觀察、粒度和地層水分析、成像測井等資料，分析天環(huán)坳陷北段與姬塬地區(qū)長8儲層成巖環(huán)境的差異性。結(jié)果表明：自晚侏羅系以來，天環(huán)北段處于天環(huán)坳陷最低部位，壓實作用強烈；研究區(qū)臨近構(gòu)造活動帶，裂縫發(fā)育，目的層流體封閉性差，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，砂巖和泥巖流體交換作用強，成巖反應(yīng)消耗的離子不斷得到補充，導(dǎo)致鐵方解石、高嶺石膠結(jié)嚴重；強烈的壓實和膠結(jié)作用是導(dǎo)致儲層致密的主要原因。該研究結(jié)果對鄂爾多斯盆地石油勘探開發(fā)具有參考意義。

天環(huán)坳陷北段； 長8儲層； 儲層致密； 壓實作用； 膠結(jié)作用； 鄂爾多斯盆地

0 引言

鄂爾多斯盆地延長組為低孔低滲儲層，發(fā)育大型低滲—超低滲巖性油藏。致密儲層影響油藏分布，是制約石油勘探開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。儲層致密成因是儲層研究的重點，目前人們認為沉積和成巖作用是控制儲層物性的重要因素[1-9]。沉積條件決定儲層巖石結(jié)構(gòu)及空間展布特征，粒度粗、抗壓實組分多、泥質(zhì)含量少、厚度大的儲層后期壓實及膠結(jié)作用相對較弱，保留較多的粒間孔[4,7]。成巖作用后期改造儲層孔隙結(jié)構(gòu)，壓實作用和膠結(jié)作用是儲層致密化的重要原因。潘榮等[10]利用Houseknecht D W建立的評價壓實與膠結(jié)相對作用評價圖，對克拉蘇沖斷帶白堊系儲層成巖作用進行評價，認為壓實作用造成的平均原始孔隙度損失率為54%，膠結(jié)作用造成的平均原始孔隙度損失率為21%；羅文軍等[11]分析川西坳陷須家河組二段儲層成巖作用及孔隙演化史，認為壓實作用使該區(qū)儲層原始孔隙度減少70%；葉蘭芳等[12,16]研究姬塬地區(qū)長8儲層成巖作用，認為以孔隙環(huán)襯里和薄膜形式存在的自生綠泥石在成巖過程中抵抗上覆巖石機械壓實作用。此外，異常高壓抑制壓實作用[13]，裂縫可以改善儲層連通性[14-15]。

人們針對儲層致密成因的研究多局限于受強壓實和強膠結(jié)作用影響，導(dǎo)致儲層致密的表面現(xiàn)象和結(jié)果，缺乏成巖機理研究。根據(jù)實測物性、薄片資料及成巖環(huán)境分析，筆者明確強壓實作用和膠結(jié)作用是造成研究區(qū)長8儲層致密的主要原因，探討成巖作用強烈的成因，為研究區(qū)下一步油氣勘探提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是位于中國中西部的大型內(nèi)陸坳陷盆地，蘊含豐富的石油、煤炭及天然氣資源。盆地分為6個構(gòu)造單元：陜北斜坡、渭北隆起、伊盟隆起、晉西撓褶帶、西緣逆沖帶和天環(huán)坳陷[17-18]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中西部，構(gòu)造單元位于天環(huán)坳陷北部，臨近西緣逆沖帶，北起鹽池縣，南至紅柳溝，西起郭莊子，東達波羅池(見圖1)，面積為2.5×103km2。延長組為研究區(qū)主要含油層系，自下而上劃分為10個油層組，對應(yīng)不同沉積發(fā)育期。長10期為湖盆演化早期，湖盆范圍小，發(fā)育粒度較粗的三角洲平原沉積；長9—長8期為湖盆擴張時期，發(fā)育淺水三角洲沉積；長7期為湖盆發(fā)育演化的鼎盛時期，湖水范圍最大，發(fā)育深湖—半深湖烴源巖，是延長組最重要的烴源巖；長6期為湖退時期，發(fā)育大規(guī)模三角洲相砂體；長5—長4期湖盆經(jīng)歷短暫湖侵，泥巖較發(fā)育；長3—長1期湖盆逐漸萎縮消亡。

2 儲層物性特征

研究區(qū)長8儲層96口井物性資料表明，孔隙度在5.4%～10.2%之間，主要分布區(qū)間為6.0%～8.0%，占樣品總數(shù)的57.30%，平均孔隙度為7.1%；姬塬地區(qū)長8儲層孔隙度在5.6%～15.6%之間，主要分布區(qū)間為8.0%～10.0%，占樣品總數(shù)的75.36%，平均孔隙度為8.6%(見圖2(a))。研究區(qū)長8儲層滲透率在(0.06～0.73)×10-3μm2之間，主要分布區(qū)間為(0.10～0.30)×10-3μm2，占樣品總數(shù)的68.10%，平均滲透率為0.23×10-3μm2；姬塬地區(qū)長8儲層滲透率在(0.08～22.35)×10-3μm2之間，主要分布區(qū)間為(0.30～1.00)×10-3μm2，占樣品總數(shù)的71.10%，平均滲透率為0.51×10-3μm2(見圖2(b))。天環(huán)坳陷北段長8儲層物性整體較姬塬地區(qū)的差。

圖1 天環(huán)坳陷北段區(qū)域構(gòu)造位置

圖2 研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層物性分布直方圖Fig.2 The property and distribution of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3 儲層致密成因

3.1 沉積作用

沉積作用是儲層發(fā)育的基礎(chǔ)，不僅控制儲層的厚度、空間分布規(guī)律等宏觀特征，還決定儲層的巖石學(xué)特征，如巖性、成分、粒度、磨圓、結(jié)構(gòu)成熟度和雜基體積分數(shù)等，影響巖石的原始物性，決定后期成巖改造作用的程度。

3.1.1 巖性特征

研究區(qū)長8儲層為淺水三角洲沉積[19-20]，發(fā)育北西—南東向分流河道與水下分流河道砂體，砂體厚度為5～15 m，寬度為(2.00～4.00)×103m。研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層巖石類型主要為巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖，石英體積分數(shù)為15.5%～49.1%，平均為29.4%；長石體積分數(shù)為14.1%～47.5%，平均為24.8%；巖屑體積分數(shù)較高，為9.3%～47.6%，平均為28.7%，以變質(zhì)巖和火成巖巖屑為主。砂巖分選好至中等，呈次棱角狀磨圓。

圖3 研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層砂巖粒度統(tǒng)計直方圖Fig.3 The grain statistics of sandstone of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3.1.2 粒度分析

統(tǒng)計粒度數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)和姬塬地區(qū)長8儲層主要為細砂巖，其中細砂體積分數(shù)分別為73.90%、64.03%，中砂體積分數(shù)分別為15.57%、15.74%，粉砂、黏土等細粒雜基成分體積分數(shù)分別為10.53%、20.23%(見圖3)。與姬塬地區(qū)相比，研究區(qū)長8儲層粒度略占優(yōu)勢，細砂和中砂成分略多，粉砂、黏土等細粒雜基成分較少。主要是因為研究區(qū)為三角洲平原亞相，水動力較強，粒度相對粗，泥質(zhì)體積分數(shù)相對較少。

粒度對儲層原始孔隙度有重要影響。粗粒成分保持原始孔隙度，細粒成分充填孔隙和喉道，降低原始孔隙度和滲透率。研究區(qū)長8儲層粒度較姬塬地區(qū)的粗，原始孔隙度和滲透率比姬塬地區(qū)的高，但實際物性比姬塬地區(qū)的差。因此，推斷后期成巖作用是導(dǎo)致研究區(qū)長8儲層物性變差的重要原因。

3.2 成巖作用

成巖作用是沉積物在埋藏過程中發(fā)生的物理、化學(xué)作用。受多種因素影響，在成巖過程中成巖條件(如溫度、壓力、酸堿度、流體溶解度等)發(fā)生變化，成巖作用的類型、進程和強度也發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致成巖特征在空間上表現(xiàn)出明顯差異性，從而影響儲層的孔隙演化與物性特征[1]。研究區(qū)構(gòu)造活動強烈，成巖環(huán)境與姬塬地區(qū)相比差異大，成巖作用強度不同，導(dǎo)致儲層孔隙類型及物性不同。

3.2.1 壓實作用

壓實作用是沉積物顆粒被壓致密、儲層原生孔隙度降低的重要原因之一。巖心薄片觀察表明，研究區(qū)長8儲層存在大量顆粒定向排列、線接觸、凸凹接觸及塑性巖屑變形，甚至顆粒破碎的現(xiàn)象(見圖4(a-d))，說明研究區(qū)壓實作用強烈。

為描述研究區(qū)長8儲層的壓實強度，通過對比砂巖原始孔隙體積與壓實粒間體積，得出視壓實率[21]，從而定量化反映壓實強度。當視壓實率大于70%時，為強壓實；當視壓實率在40%～70%之間時，為中等壓實；當視壓實率小于40%時，為弱壓實。根據(jù)長8儲層粒度分析及薄片觀察數(shù)據(jù)，分別對研究區(qū)及姬塬地區(qū)長8儲層視壓實率進行恢復(fù)。研究區(qū)強壓實所占比例為25%(見圖5)，大于姬塬地區(qū)的，說明研究區(qū)壓實作用強烈。

圖4 研究區(qū)長8儲層壓實作用、鐵方解石及高嶺石膠結(jié)現(xiàn)象Fig.4 The characteristic of reservoir compaction and phenomenon of iron calcite and kaolinite in Chang8 reservoir in the study area

圖5 研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層視壓實率Fig.5 The similar compaction rates of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層屬于同一物源，儲層礦物類型相似，抗壓實作用基本相似，其壓實作用強烈與該區(qū)的構(gòu)造史及埋藏史有關(guān)。

早侏羅世，在西部構(gòu)造擠壓應(yīng)力下，研究區(qū)開始沉降，到早白堊世末達到最大埋深，深度為(3.00～3.30)×103m；中侏羅世末和晚侏羅世末，研究區(qū)有兩次短暫的抬升，幅度較?。缓笃谔纫草^小(見圖6)?，F(xiàn)今長8段儲層頂部埋深為(2.55～2 85)×103m，也是盆地埋深最大部位。研究區(qū)自晚侏羅世天環(huán)坳陷形成[22]至今，經(jīng)歷強烈的構(gòu)造擠壓和長期深埋壓實作用，云母、巖屑等塑性組分嚴重變形，導(dǎo)致儲層壓實致密。

圖6 研究區(qū)延長組埋藏史Fig.6 Burial history of Yanchang formation in the study area

3.2.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是成巖流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后沉淀的礦物質(zhì)使巖石固結(jié)的作用，是儲層致密的重要影響因素。

圖7 研究區(qū)與姬塬地區(qū)長8儲層填隙物統(tǒng)計Fig.7 The map of interstitial material feature of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

長8儲層大量發(fā)育水云母、高嶺石及鐵方解石膠結(jié)物(見圖4(e-h))，體積分數(shù)超過3.0%，總填隙物體積分數(shù)為13.5%(見圖7)，較姬塬地區(qū)的高。

膠結(jié)作用的類型、強度與儲層自身的礦物類型及成巖環(huán)境有關(guān)。研究區(qū)與姬塬地區(qū)所處的區(qū)域構(gòu)造位置不同，成巖環(huán)境有較大差異。地層水離子組分是成巖化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，裂縫具有輸導(dǎo)作用，是離子交換的運移通道，影響成巖反應(yīng)體系中離子濃度和成巖反應(yīng)強度。

3.2.2.1 地層水分析

地層水化學(xué)成分反映沉積、成巖或成藏過程中流體與圍巖相互作用的結(jié)果[23]。研究區(qū)試油出水井地層水分析資料表明，水型以CaCl2型為主，存在少數(shù)MgCl2和Na2SO4型，說明未混入地表水，屬于地層水范疇。研究區(qū)地層水中各種離子濃度較低，總礦化度在10～20 g/L之間(見表1)；姬塬地區(qū)地層水總礦化度在30～90 g/L之間，明顯高于研究區(qū)的。礦化度低，即成巖反應(yīng)后整個體系的剩余離子質(zhì)量濃度低，多數(shù)離子參加反應(yīng)并生成膠結(jié)物沉淀。研究區(qū)成巖反應(yīng)強烈，與它所處的特殊構(gòu)造位置有關(guān)。計算Na+/Cl-因數(shù)，根據(jù)博爾雅斯基氯化鈣型地層水分類表對研究區(qū)地層水進行歸類[24]，當Na+/Cl-因數(shù)大于0.85時，屬于Ⅰ類水型，表示水的運動速度相當大，水動力活躍；當Na+/Cl-因數(shù)在0.75～0.85之間時，屬于Ⅱ類水型，表示積極水動力帶和較穩(wěn)定的靜水帶之間過渡帶的特點。研究區(qū)有75%的地層水Na+/Cl-因數(shù)大于0.75，屬于Ⅰ、Ⅱ類水型，表明地層水較活躍，流體封閉性差。

表1 研究區(qū)地層水分析結(jié)果

3.2.2.2 裂縫特征

研究區(qū)在延長組地層中發(fā)育大量高角度裂縫。研究區(qū)25口井成像測井資料表明，主要發(fā)育兩組裂縫，裂縫傾角在70°～90°之間，主方位為60°～75°，呈北東—南西向展布(見圖8)，裂縫主要形成于晚侏羅世燕山期構(gòu)造活動。

侏羅紀末期，受古太平洋板塊與歐亞板塊斜向碰撞的區(qū)域構(gòu)造效應(yīng)影響，鄂爾多斯盆地西緣發(fā)生強烈的擠壓沖斷作用和抬升剝蝕[25-26]，在研究區(qū)形成大量的構(gòu)造裂縫。新生代喜馬拉雅運動時期，研究區(qū)處于伸展狀態(tài)，斷裂系統(tǒng)不發(fā)育。研究區(qū)在三疊系及侏羅系地層中發(fā)育裂縫和小斷層，在上部新生代地層中不發(fā)育，并沒有延伸到地表而溝通地表水，后期形成的鐵方解石沒有被溶蝕的現(xiàn)象也印證這一點。

研究區(qū)處于構(gòu)造活動強烈?guī)?，流體在地應(yīng)力作用下呈周期性、脈動的特點流動[27]，以斷層和裂縫為通道[28-29]，在砂泥巖中交換作用頻繁。先期有機酸形成的CO2、鈣長石溶蝕產(chǎn)生的Ca2+及泥巖成巖過程中產(chǎn)生的Ca2+、Fe3+、Mg2+等為膠結(jié)作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。在一定的溫度、壓力及酸堿度條件下，陰、陽離子不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過裂縫輸導(dǎo)得到補償；在不同時期，形成大量高嶺石、伊利石及鐵方解石沉淀，導(dǎo)致膠結(jié)作用強烈。姬塬地區(qū)遠離構(gòu)造活動帶，裂縫發(fā)育較少，流體交換速度慢，成巖作用到某種程度后，消耗的離子未得到補充而系統(tǒng)達到化學(xué)平衡，膠結(jié)作用相對較弱。

圖8 天環(huán)坳陷北段裂縫分布Fig.8 The fracture distribution in the north of Tianhuan depression

4 結(jié)論

(1)自晚侏羅世天環(huán)坳陷形成至今，鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段長8儲層經(jīng)歷強烈的構(gòu)造擠壓和長期深埋壓實，壓實作用強烈，持續(xù)時間長。

(2)研究區(qū)與姬塬地區(qū)同屬西北沉積體系，兩個地區(qū)的長8儲層巖性特征類似；研究區(qū)粒度較姬塬地區(qū)的粗，但實際物性比姬塬地區(qū)的差。

(3)研究區(qū)鄰近構(gòu)造斷裂帶，裂縫發(fā)育，地層封閉性差，流體活躍，使成巖反應(yīng)體系中離子很難達到平衡。因膠結(jié)作用持續(xù)發(fā)生，形成大量高嶺石、伊利石及鐵方解石沉淀，導(dǎo)致膠結(jié)作用強烈，造成儲層物性差。

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2015-09-11；編輯：朱秀杰

國家科技重大專項(2011ZX05044,2011ZX05001-004)

劉廣林(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣勘探及綜合地質(zhì)方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0038-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.005